本文關(guān)鍵詞：改性納米黑碳的土壤環(huán)境行為及其環(huán)境效應(yīng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：土壤是人類社會(huì)生存和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。2014年國家環(huán)保部公布的土壤普查結(jié)果表明目前我國土壤污染比較嚴(yán)重,且有加重的趨勢,尤其土壤重金屬污染已成為污染面積廣、危害大的環(huán)境問題之一。原位鈍化技術(shù)是修復(fù)重金屬污染土壤最經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的技術(shù)之一,該修復(fù)技術(shù)成功與否的關(guān)鍵是選用性能良好的鈍化材料。具有多孔性芳香族化合物結(jié)構(gòu)的納米黑碳在改善土壤環(huán)境方面已被廣泛應(yīng)用,但黑碳是非離子型有機(jī)污染物的超強(qiáng)吸附劑,用其吸附鈍化土壤重金屬時(shí)需要改性。改性后納米黑碳表面引入了大量的含氧官能團(tuán),降低了表面電負(fù)性。因此,用改性納米黑碳鈍化修復(fù)重金屬污染土壤時(shí),需明確其土壤環(huán)境行為和環(huán)境效應(yīng),為發(fā)展實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全的重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)。本論文以納米黑碳(BC)作為土壤重金屬鈍化劑,并對(duì)其進(jìn)行氧化改性,以提高其鈍化能力。通過吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn),研究其對(duì)重金屬的吸附性能；并借助現(xiàn)代儀器分析手段對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)、電動(dòng)特性、分子基團(tuán)等進(jìn)行表征,探討其吸附重金屬的機(jī)理。通過淋溶實(shí)驗(yàn)、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和盆栽實(shí)驗(yàn)考察改性納米黑碳在土壤中的環(huán)境行為和環(huán)境效應(yīng),明確其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的大小,為發(fā)展實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全的重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)。主要研究成果包括以下幾個(gè)方面：(1)選用酸性高錳酸鉀作為改性劑時(shí)制備的改性納米黑碳對(duì)Cu2+和Cd2+有較強(qiáng)的吸附能力。制備改性納米黑碳的最優(yōu)條件為：高錳酸鉀濃度為0.1 mol·L-1,改性劑酸度為3.0 mol·L-1硝酸溶液,氧化改性時(shí)間為1.0 h,氧化改性溫度為水浴90℃。(2)比表面積測定結(jié)果表明改性納米黑碳(MBC)比未改性納米黑碳(BC)比表面積增加了0.28倍,孔體積增大了7.89倍,平均孔徑增加了1.88倍,改性后納米黑碳顆粒內(nèi)部的孔隙度增加了；紅外光譜分析表明改性后納米黑碳表面含氧酸性官能團(tuán)的數(shù)量增加,導(dǎo)致其所帶負(fù)電荷量增加,等電點(diǎn)左移；SEM分析進(jìn)一步驗(yàn)證了改性納米黑碳顆粒更松散,顆粒內(nèi)部出現(xiàn)較大孔隙,增大了孔體積,提高了其對(duì)水溶液中Cu2+的吸附性能和土壤中銅的鈍化能力；改性納米黑碳對(duì)土壤中重金屬的鈍化機(jī)理包括靜電吸附、絡(luò)合、陽離子交換吸附和微孔捕獲共存的機(jī)理。(3)利用Langmuir和Freundlich模型對(duì)Cu2+在黑碳上的吸附熱力學(xué)過程進(jìn)行擬合,結(jié)果表明Cu2+在納米黑碳上的吸附過程符合Langmuir吸附模型,Cu2+在納米黑碳上的吸附屬于單分子層吸附,而Langmuir和Freundlich均較好地描述了Cu2+在改性納米黑碳上的吸附過程；改性后納米黑碳對(duì)Cu2+的吸附能力有了很大的提高,BC對(duì)Cu2+的飽和吸附量為12.33 mg·g-1, MBC對(duì)Cu2+的飽和吸附量為48.92mg·g-1,比改性前對(duì)Cu2+的飽和吸附量提高了約3倍。吸附動(dòng)力學(xué)研究表明,Cu2+在黑碳和改性納米黑碳上的吸附由多個(gè)過程控制,影響因素復(fù)雜,溫度低于60℃時(shí)升高溫度有利于改性納米黑碳對(duì)Cu2+的吸附,提高溶液pH值也能增加改性納米黑碳對(duì)Cu2+的吸附量；吸附到改性納米黑碳上的Cu2+有71.91%～79.88%為酸難解吸態(tài),不易重新釋放到環(huán)境中,具有一定的吸附穩(wěn)定性；改性納米黑碳施入土壤后,能顯著降低土壤中銅的有效態(tài)含量,進(jìn)而降低了Cu2+在土壤—黑麥草中的遷移轉(zhuǎn)化,具有鈍化修復(fù)重金屬污染土壤的可能性。(4)淋溶實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,改性納米黑碳和有效態(tài)Cu在三種土壤不同土層的含量和在三種土壤中的分布結(jié)果表明,改性納米黑碳在褐土、潮土和酸性棕壤中均不隨水的淋溶在垂直方向上遷移,但改性納米黑碳添加比例為1.5%時(shí),在三種土壤中均有向表層土壤聚集現(xiàn)象；添加改性納米黑碳后,三種土壤淋溶液中總碳和可溶性有機(jī)碳含量均低于未添加改性納米黑碳的對(duì)照,說明改性納米黑碳隨著淋溶的進(jìn)行,未遷移出土壤,且減少了土壤可溶性有機(jī)碳的流失；56天的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明,在無外加微生物、常溫、常壓條件下,褐土中改性納米黑碳含量隨著時(shí)間無明顯變化,說明實(shí)驗(yàn)期內(nèi)土壤中的改性納米黑碳是比較穩(wěn)定的,但改性納米黑碳在土壤中的長期穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步研究。(5)改性納米黑碳對(duì)土壤中酶活性的影響研究表明,改性納米黑碳對(duì)褐土和潮土中過氧化氫酶有不同程度的激活作用,對(duì)棕壤中過氧化氫酶活性影響不顯著,改性納米黑碳對(duì)三種土壤中尿酶活性均有不同程度的激活作用,對(duì)脫氫酶活性有一定的抑制作用；改性納米黑碳對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度和微生物數(shù)量的影響研究表明,改性納米黑碳的施入顯著提高了棕壤和潮土的呼吸強(qiáng)度,褐土的呼吸強(qiáng)度無顯著性提高,改性納米黑碳增加了褐土、潮土和酸性棕壤中細(xì)菌和放線菌的數(shù)量,降低了三種土壤中真菌的數(shù)量；改性納米黑碳增加了土壤對(duì)磷、NH4+-N和NH3-N和鉀的吸附能力,減少了土壤速效養(yǎng)分的流失。綜上,改性納米黑碳對(duì)重金屬具有較好的吸附鈍化性能,不易通過淋溶遷移污染地下水,對(duì)土壤酶活性、微生物量、植物生長等有促進(jìn)作用,增強(qiáng)了土壤對(duì)速效磷、銨態(tài)氮、速效鉀的吸附能力,利于減少土壤速效養(yǎng)分的流失。因此,改性納米黑碳是一種經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好的土壤重金屬鈍化材料。
【關(guān)鍵詞】：改性納米黑碳 土壤 環(huán)境行為 環(huán)境效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X53
【目錄】：

• 摘要7-10
• Abstract10-13
• 第一章 引言13-21
• 1.1 研究意義13-17
• 1.2 研究目的17
• 1.3 研究內(nèi)容17-18
• 1.4 擬解決的關(guān)鍵問題18-19
• 1.5 研究方法和技術(shù)路線19-21
• 第二章 納米黑碳鈍化修復(fù)重金屬污染土壤的研究進(jìn)展21-36
• 2.1 土壤重金屬污染與修復(fù)21-26
• 2.1.1 土壤重金屬污染來源與危害21-23
• 2.1.2 土壤重金屬污染現(xiàn)狀23-24
• 2.1.3 重金屬污染土壤的原位鈍化修復(fù)方法24-26
• 2.2 黑碳概述26-29
• 2.2.1 黑碳的概念26
• 2.2.2 黑碳的來源26-27
• 2.2.3 黑碳的改性方法27-29
• 2.3 納米黑碳在污染土壤原位鈍化修復(fù)中的應(yīng)用可行性29-32
• 2.3.1 納米黑碳的土壤環(huán)境兼容性29-30
• 2.3.2 納米黑碳的穩(wěn)定性30-31
• 2.3.3 黑碳在污染土壤原位鈍化修復(fù)中的應(yīng)用31-32
• 2.4 納米黑碳應(yīng)用于重金屬污染土壤原位鈍化修復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)32-36
• 2.4.1 納米黑碳對(duì)土壤中重金屬鈍化的長期穩(wěn)定性32-33
• 2.4.2 納米黑碳在土壤中的遷移性33
• 2.4.3 納米黑碳在土壤中的生物毒性33-34
• 2.4.4 納米黑碳對(duì)土壤養(yǎng)分的影響34-36
• 第三章 實(shí)驗(yàn)材料與方法36-52
• 3.1 實(shí)驗(yàn)材料36-37
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試劑36-37
• 3.1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器37
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方案37-44
• 3.2.1 改性納米黑碳的制備方案37-38
• 3.2.2 改性納米黑碳制備條件優(yōu)化方案38-39
• 3.2.3 改性納米黑碳吸附重金屬的實(shí)驗(yàn)方案39-41
• 3.2.4 土壤中黑碳含量的測定方案41
• 3.2.5 改性納米黑碳的環(huán)境行為實(shí)驗(yàn)方案41-43
• 3.2.6 改性納米黑碳的生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案43-44
• 3.3 分析方法44-50
• 3.3.1 改性納米黑碳的性能表征44-45
• 3.3.2 土壤性能參數(shù)測定45-47
• 3.3.3 土壤酶活性的測定47-48
• 3.3.4 土壤微生物數(shù)量的測定48
• 3.3.5 土壤速效養(yǎng)分的測定48-50
• 3.4 數(shù)據(jù)處理方法50-52
• 3.4.1 計(jì)算Cu~(2+)的吸附量50-51
• 3.4.2 計(jì)算Cu~(2+)的解吸率51
• 3.4.3 數(shù)據(jù)處理和作圖方法51-52
• 第四章 改性納米黑碳的制備及其表面特性研究52-65
• 4.1 改性納米黑碳的制備52-59
• 4.1.1 氧化改性劑的篩選52-54
• 4.1.2 氧化改性工藝參數(shù)研究54-57
• 4.1.3 改性納米黑碳制備工藝的優(yōu)化57-59
• 4.2 改性納米黑碳的表面特性研究59-63
• 4.2.1 改性納米黑碳比表面積、孔徑和含氧官能團(tuán)數(shù)量分析59-60
• 4.2.2 改性納米黑碳的結(jié)構(gòu)形貌分析60-61
• 4.2.3 改性納米黑碳的紅外光譜分析61-62
• 4.2.4 改性納米黑碳的粒徑分析62-63
• 4.3 小結(jié)63-65
• 第五章 改性納米黑碳對(duì)Cu~(2+)的吸附性能及其應(yīng)用65-86
• 5.1 改性納米黑碳對(duì)Cu~(2+)的吸附特性66-77
• 5.1.1 改性納米黑碳對(duì)Cu~(2+)的吸附等溫線66-70
• 5.1.2 改性納米黑碳對(duì)Cu~(2+)的吸附動(dòng)力學(xué)70-74
• 5.1.3 改性納米黑碳對(duì)Cu~(2+)的吸附影響因素74-76
• 5.1.4 改性納米黑碳對(duì)Cu~(2+)的吸附穩(wěn)定性76-77
• 5.2 改性納米黑碳在重金屬污染土壤鈍化修復(fù)中的應(yīng)用可行性77-81
• 5.2.1 改性納米黑碳對(duì)土壤中有效態(tài)銅含量的影響77-78
• 5.2.2 改性納米黑碳施入量對(duì)土壤銅有效性的影響78-79
• 5.2.3 改性納米黑碳對(duì)土壤-植物系統(tǒng)中重金屬遷移轉(zhuǎn)化的影響79-81
• 5.3 改性納米黑碳對(duì)土壤中Cu的鈍化機(jī)理81-84
• 5.3.1 納米黑碳和改性納米黑碳的結(jié)構(gòu)特征81-82
• 5.3.2 改性納米黑碳的表面電性特征82
• 5.3.3 改性納米黑碳對(duì)Cu~(2+)的鈍化機(jī)理82-84
• 5.4 小結(jié)84-86
• 第六章 改性納米黑碳的土壤環(huán)境行為研究86-104
• 6.1 改性納米黑碳在土壤中的淋溶研究86-97
• 6.1.1 淋溶后改性納米黑碳和銅在三種土壤中的分布86-92
• 6.1.2 改性納米黑碳和銅在淋溶液中的含量92-97
• 6.2 改性納米黑碳對(duì)土壤和植物中重金屬含量的影響97-98
• 6.3 改性納米黑碳在土壤中的降解98-100
• 6.4 改性納米黑碳在土壤中遷移機(jī)理100-102
• 6.5 小結(jié)102-104
• 第七章 改性納米黑碳的土壤環(huán)境效應(yīng)研究104-122
• 7.1 改性納米黑碳對(duì)土壤酶活性的影響105-110
• 7.1.1 改性納米黑碳對(duì)過氧化氫酶活性的影響105-107
• 7.1.2 改性納米黑碳對(duì)土壤尿酶活性的影響107-109
• 7.1.3 改性納米黑碳對(duì)土壤脫氫酶活性的影響109-110
• 7.2 改性納米黑碳對(duì)土壤微生物的影響110-115
• 7.2.1 改性納米黑碳對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響110-111
• 7.2.2 改性納米黑碳對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響111-115
• 7.3 改性納米黑碳對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響115-117
• 7.4 改性納米黑碳對(duì)植物生長的影響117-119
• 7.5 改性納米黑碳的土壤環(huán)境效應(yīng)機(jī)制119-120
• 7.6 小結(jié)120-122
• 第八章 結(jié)論與展望122-126
• 8.1 結(jié)論122-123
• 8.2 創(chuàng)新點(diǎn)123-124
• 8.3 研究展望124-126
• 參考文獻(xiàn)126-150
• 致謝150-151
• 攻讀博士期間發(fā)表的論文151
• 專利申請(qǐng)情況151

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：294787